色谱法从本世纪初问世以来,经过近百年的发展已经成为分析化学领域中最活跃、最具有实用性的学科分支之一。特别是近几十年间,在色谱本身的理论和实践积累的基础上,利用机械、电子、光学和计算机等相关技术的新成就开发出了多种多样的现代化色谱方法和色谱仪器。其高灵敏度和高分离效率使色谱法成为十分理想的分离和定量分析工具。然而,从定性分析方面看,色谱法是相对低能的。
红外光谱提供了极其丰富的分子结构信息,几乎没有两种不同的物质具有完全相同的红外光谱,所以红外光谱是一种十分理想的定性分析工具。然而,红外光谱法原则上只能用于纯化合物,对于混合物的定性分析常常是无能为力的。
色谱法分离混合物的优点是红外光谱法的弱点,红外光谱法定性和结构分析的优点又是色谱法的弱点,联合这两种方法,把色谱仪作为红外光谱仪的前置分离工具,或者说,把红外光谱仪作为色谱仪的检测器,即气相色谱/红外光谱联用仪。
1 GC/FTIR系统的组成
GC/FTIR系统由气相色谱单元,接口和FTIR单元三部分组成。气相色谱单元多采用毛细管气相色谱仪,可带有热导检测器、氢火焰离子化检测器等,其作用是将混合样品中各组分进行分离。接口是联用系统的关键部分,目前已有光管接口和冷冻捕集接口两种类型,后者可以使联机系统具有更高的信噪比,但由于其价格昂贵,至今普遍使用的仍是相对廉价的光管接口。光管接口一般包括传输线(transfer line)、光管(light pipe)、加热装置及汞镉碲(MCT)检测器。接口的出口端可直接放空或进一步联接到气相色谱仪的氢火焰检测器或热导检测器等,可同时得到各种气相色谱图。Johnson[1]介绍了一种低温光管的应用技术,克服在高温状态下热不稳定化合物的降解。FTIR单元一般都采用单光路FTIR。双光路FTIR采用光学方法补偿非样品信息,每个干涉谱均为经过光学补偿的。变换得到的光谱有更高的信噪比。Brown等[2]探讨了影响光管型GC/FTIR的灵敏度的各种因素。GC/FTIR最小可鉴定量为0.5~2.0ng[3]。Haaland等[4]介绍用经典最小二乘法技术改进红外光谱的信噪比。Sasaki等[5]及Ragunathan等[6]介绍了近几年来气相色谱与红外光谱联用仪的发展情况。
2 GC/FTIR系统所提供的信息
GC/FTIR的原理是从色谱柱分离出的馏分经过惰性的加热传输线,到达光管。光管内壁镀金,管的两端以溴以钾窗片封口。来自光谱仪的红外光束通过光管,被光管内的馏分吸收后,透射过来的光用MCT检测器进行检测,计算机进行实时监测,并将在色谱峰出现的时间内存储的数据,以红外频谱-气相色谱-功能团吸收强度三维谱图显示在荧光屏上。可提供下列几方面的信息。
2.1 色谱保留值
色谱保留值可以作为红外光谱定性的重要辅助依据。特别是当鉴定象同系物等分子结构内有不同数目的重复单元的化合物时,尤为重要。因为,这类化合物的红外光谱特征十分相似,而它们的色谱保留值却存在着显著差异。
2.2 重建色谱图
所谓重建色谱图,就是说它不是色谱检测器的直接输出信号记录,而是由红外检测器记录的干涉图经计算机处理后,所得到的色谱图。重建色谱图包括以下3种类型:
2.2.1 化学图:
这是一种从光谱信息中选取感兴趣的关于含某种基团化合物信息的显示图。如,含羰基化合物中羰基的特征吸收,一般在1680~1800cm-1。若把窗口设在这一区间,色谱各馏分中只有含羰基的组分才有响应信号。此时,红外光谱仪成为色谱的选择性检测器。
2.2.2 Gram-Schmidt重建色谱图(GSR):
这是利用Gram-Schmidt矢量正交化方法,直接从干涉图取样重建的色谱图。这种虽然横坐标是时间,但它却不是实时的。同时,由于不同类化合物的红外总吸收度不同,化合物的峰面积并不真实反映其含量。所以,这种图一般只作为色谱馏分示意图,帮助进行光谱图、保留时间或实时色谱图之间的关联,以给出可靠的信息解释。
2.2.3 红外总吸收度重建色谱图(TIA):
类似于气相色谱/质谱联用给出的总离子流色谱图,能全部反映色谱馏分流出情况,分辨率也较高。但是,其横坐标只是数据点,无法与时间关联,不能与色谱图比较。因此,这种图在实际中较少应用。
2.3 红外光谱图
红外光谱图表征着化合物分子中各基团的吸收频率及其强度。利用红外光谱图可以鉴定其化学结构。
3 在药物分析中的应用
GC/FTIR广泛应用于天然产物挥发油分析(药用挥发油分析),香精香料分析,环境污染分析(包括毒物检测、废水分析、空气污染物分析、农药分析)等。另外,燃料分析(煤与石油分馏产物的分析)也广泛使用了GC/FTIR联用技术。张铭金等[7]研究了高温煤焦油重油馏分的化学组成。分离并鉴定出131种化合物,了解到不同配煤工艺对煤焦油组成与性能的影响,为煤焦油的集中加工和新产品开发提供了重要依据。张荣贤等[8]利用气相色谱-红外光谱-氢火焰离子化检测器联机,使石油化工废水中挥发性有机物定性定量一次完成。在这些应用中,尤其体现了GC/FTIR在分离鉴定异构体方面的优越性。目前,采用GC/FTIR/MS联用技术进行未知物结构鉴定已很普遍。Wilkins[9]把GC/FTIR/MS的理论、原理和应用作了介绍。
在药用挥发油分析方面,国内外发表的论文相当多。Wilkins等[10]采用GC/FTIR/MS联用技术进行薄荷油提取物分析,共分析鉴定了18个组分,并对GC/FTIR/MS联用技术的分析能力进行了评价。邱宁婴等[11]用GC/FTIR研究了薄荷油、青椒薄荷油、椒洋薄荷油,分离出十几种成分,用气相红外光谱库对各组分进行了光谱检索,共鉴定出13种成分,并比较了不同产地的薄荷油的质量。邱宁婴等[12]采用GC/FTIR技术对中成药救心油中龙脑和异龙脑进行了定性和定量分析。侯一斌[13]采用GC/EI-CIMS和GC/FTIR对斑蝥进行了分析,发现斑蝥的有效成分除斑蝥素外,还有另一种未知成分。确定了该成分的分子量、分子式和可能的结构式。吴桥等[14]用GC/FTIR分析鉴定了中成药麝香风湿油的10个主要成分,并对其中3个组分用气相色谱内标法作了含量测定。魏莉[15]对木贼的镇痛成分进行了定性研究,表明木贼含阿魏酸、间甲氧基肉桂酸、对甲氧基肉桂酸。叶飞云等[16]对丁香罗勒油的挥发性成分进行鉴别及含量测定,其主要的杂质经GC/FTIR鉴别为7-甲基-3-亚甲-辛二烯1,6和苯甲醇。蒋伯成等[17]采用GC/FTIR/MS技术分离鉴定出艾叶燃烧产生的气体中的成分有20种。于宗渊等[18]对GC/FTIR联用技术及其在中草药成分的分离鉴别和中成药制剂的成分分析中的应用情况作了简单介绍,并列举了3个应用实例。张喜轩等[19]用GC/FTIR技术对7种巴比妥类药物进行了筛选分析的研究。自建了巴比妥类药物的蒸气相红外光谱库,血中药物为1μg/mL时仍能准确鉴别。Mossoba等[20]对含酒精饮料和食物中的氨基甲酸乙酯进行定量研究。Johnson等[21]采用GC/FTIR/MS研究化学反应产物甲氧基甲醇的光谱。Doumeny等[22]建立了通常能在海洋环境中找到的46种脂肪酸甲酯的气态红外光谱。对脂肪酸甲酯中双键位置、顺反异构体及羟基的位置等作了分析。Svatos等[23]测定了与乙烯基相联的碳-碳双键的立体化学特性。Gurka等[24]采用GC/FTIR/MS技术鉴定了环境样品中的四氯丁烯异构体。Smyrl等[25]采用GC/FTIR/MS分析技术对多环芳烃类化合物进行鉴定和定量。Afshari[26]阐述了采用GC/FTIR技术对不可分离的混合组分的立体化学分析。
4 结束语
随着计算机软件技术的发展,计算机差谱技术得到应用,通过光谱差减,可以把混峰光谱进行剥离,从而有可能对混峰进行完全鉴定,甚至也有可能对GC本身没有分开的峰进行剥离鉴定。新接口的开发,如基体隔离技术与GC、FTIR的联用,其接口完全不同于光管,而是采用低温真空腔,其内设一镀金转盘,试样分子完全被基体原子所隔离,大大提高灵敏度。顶空进样技术是一种非常有效的捕集挥发性组分的技术,将顶空进样GC与FTIR联用,可实现大容量进样,提高GC/FTIR系统的灵敏度。裂解色谱技术与FTIR联用对于解决高分子聚合物的分离鉴定问题十分方便。GC/FTIR是一种与GC/MS互补的分离鉴定手段,尤其是对异构体鉴定有其独特的优势。GC/FTIR在药物分析中已得到广泛应用,并具有美好前景。
